Unun匹配缩短短波GP天线方案 [复制链接]

   常识告诉我们当GP天线振子长度小于波长的1/4时阻抗会迅速下降所以缩短GP天线需要通过加电感和电容的方式将阻抗匹配到50Ω。
   首先我们需要知道的是阻抗概念并不是单纯的电阻R而是特性阻抗ΩZ。特性阻抗ΩZ由实部R和虚部J组成。实部R为介质的纯电阻，虚部J为介质的感抗XL和容抗XC。即特性阻抗ΩZ=R+XL+XC。
   所以我们可以通过往缩短GP天线上加电感和电容增加感抗和容抗让天线阻抗达到所需的50Ω。

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   天线上的电流大小直接决定天线辐射效率，简单来说就是电流越大发射出去的功率就越大。
   需要注意的是天线并不是只要加上电感和电容之后就能达到最大辐射效率。无论是加感还是加容都只能让电感和电容前端的电流增大，所以加感和加容的位置选择就变得非常重要。无论是电感还是电容都是加得越靠上越好，电感和电容越靠上就能让越长的天线导体电流增大从而尽可能高的提升天线辐射效率。但电感加的越靠上所需的感量越大电感的体积也越大就会让天线变得头重脚轻结构不稳定，所以通常会把电感加在振子长度2/3的位置，并在天线顶端增加几根横向的振子起到等效电容的作用增加电感后端振子的电流。

缩短GP天线加电感和电容位置效率排序：
2/3处加电感并在顶部加电容帽(最优解)
2/3处加电感(优秀)
底部加电感(凑合)

   接下来说说缩短GP天线加电感和电容的缺点。加电感和电容虽然能把天线阻抗匹配到50Ω，但同时也会导致天线带宽和耐受功率变小。电感线圈直径越小带宽越小。并且加感线圈的发热非常大对天线耐受功率有负面影响。顶部电容帽也会让天线顶端重量和风阻变大。想获得高带宽和高耐受功率就需要往天线上加尺寸非常夸张的电感和电容帽，进一步让天线变得头重脚轻。
   那么有没有不需要加电感电容或者可以少加电感电容的缩短GP天线设计呢？答案毫无疑问是有的。

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   可以使用50Ω转12.5Ω的4:1 Unun进行匹配，只需要让缩短GP天线馈端的阻抗达到12.5Ω即可直接使用。因为无需加电感和电容可以直接让整个振子的电流最大化从而达到最大辐射效率。即使振子依然需要加电感和电容匹配也只需要加非常小容量的电感和电容对天线结构稳定性和带宽耐受功率的影响也相对小的多。
50Ω转12.5Ω 4:1 Unun绕法：

图片:IMG_20211102_230958.jpg

   这个50Ω转12.5Ω 4:1 Unun使用的同轴传输线变压器设计，匝数少效率高只需要一个FT150规格的磁环就能承受750W SSB功率。不会像1:49 Unun那样一个FT290规格的大尺寸磁环也只能承受不到500W SSB功率。
   除了50Ω转12.5Ω的4:1 Unun还可以使用更大转换比的9:1 50Ω转5.55Ω，16:1 50Ω转3.125Ω，36:1 50Ω转1.38Ω Unun以匹配更短的振子。
   可以在这个网站上快捷计算振子长度对应的馈端阻抗：https://www.everythingrf.com/rf-calculators/whip-antenna-calculator

学习中

这个不错,学习了！

楼主，换成能匹配低阻抗的自动天调呢？

那不就变成长线(短)天线了，自动天调最低一般能把12Ω的阻抗调上来，极少数支持到5.6Ω。

这种用UNUN缩短端馈方式和增加电容帽和电感线圈的方式效率没有区别吗？

36：1的，磁环绕不下吧…

学习了，这几天就试试

天线不谐振，同等长度不如加感或加电容帽的。楼主一开始就就讲天线的阻抗是复数。加感或电容帽使得阻抗复部为零，加感或电容帽让天线谐振而非只为了改变阻抗。并且加感本来就会造成天线阻抗降低，许多加感天线都有匹配电路使得天线阻抗尽量程50欧母。端馈并非只是阻抗匹配，天线还应该谐振，如同dp一样。端馈只是把dp的馈电点移到了天线的一端。端馈利用了业余波段的波长成倍数的关系，使得一个半波长的天线可以在奇偶次倍频波段谐振（dp只能在奇次倍频工作，偶次倍频使得天线阻抗奇高不能和同轴电缆自然匹配）。很多人以为端馈变得任何频率都可以很好的工作了。当然非谐振天线也是可以使用的，但是有很多问题。另外，太多的人将一端馈电的天线叫做长线，长线其实并不一定是在天线的一端馈电，长线一般指超过两个波长的天线。一定长度的天线，比如40米对于80米波只是1/2波长无论如何算不上长，但它在20米以上的波长确实是长线。对于160米只有1/4波长，必须有地网支持才能谐振。长线指电气长度而非物理长度。

用MMANA模拟一根7.3米接地垂直天线，工作与7.1兆时，序号1、底部加感L=10.408、Q=200：2、离地5米处加感L=38.17、Q=200、3、不加感，得出：
一、三种方式天线的增益和仰角基本一样。反而是中部加感增益最小，不加感最大，有违传说。
二、阻抗实部中部加感最大，不加感最小。顶部加感容易匹配；
三、不加感，阻抗复部不为零。用变压器是无法匹配的，必须使用网络进行匹配以抵消阻抗的虚部。否则电缆有较大的电压驻波，造成损坏甚至击穿绝缘，电台不能正常工作。

ba4dl:天线不谐振，同等长度不如加感或加电容帽的。楼主一开始就就讲天线的阻抗是复数。加感或电容帽使得阻抗复部为零，加感或电容帽让天线谐振而非只为了改变阻抗。并且加感本来就会造成天线 .. (2022-02-15 01:44) 

关于阻抗和匹配的问题一直有些疑问。借楼想请教下几个相关问题。
一个半波端馈振子，假设本身阻值3000，容感抗值为0.
1. 那么下在L网络，或者一个更简单的升压电器，是否只会改变阻值，不改变抗值？
2. 这个振子使用L网络匹配和使用长线天调去拉，拉阻抗的区别在哪里？我理解L匹配不会改变振子电长度，而长线天调会通过加容或者加感改变振子长度至1/4携振这种本身阻值较低的长度，然后再加容加感改变抗值，不知道这个理解是否正确。也就是说L匹配和天调匹配后，很可能因为电长度不同而辐射方向也是不同的。
3. 天调一般的调谐阻值范围在5-1500欧之间，那么本身对半波，5/8波这种谐振又大阻抗（3000欧）的振子是不是本身就难匹配？
4. 机边天调（50欧平衡输出口）和长线天调（单振子馈电口）在匹配网络上有本质区别吗？比较mat系列，30和40的匹配参数都是5-1500欧.长线天调很多厂家的建议值是12.5米，这个长度避开了携振点，也避开了高阻抗点，是否调谐步骤上首先就是加容加感到1/4波长奇数倍电长度达到降阻值的目的？那么对于80米来说是短振子（0.15波长），对于40米波是0.3波长，在20米是0.6的波长，跨过了半波，属于偏长的振子。
5. 天调（自动天调）本身会通过升，降压电感去匹配一些阻值比较极端的振子吗？例如半波，或者楼主的1/8波天线？

谢谢，bi1epu

ba4dl:[图片]
用MMANA模拟一根7.3米接地垂直天线，工作与7.1兆时，序号1、底部加感L=10.408、Q=200：2、离地5米处加感L=38.17、Q=200、3、不加感，得出：
一、三种方式天线的增益和仰角基本一样。反而是 .. (2022-02-15 02:55) 

"三种方式天线的增益和仰角基本一样。反而是中部加感增益最小，不加感最大，有违传说。"
因为天线不加感的话，就要在外面做匹配，外面损耗就大了，而且还要考虑地网上的损耗。天线中部加载之后，R变大，地网上的电阻的影响就小了。总体上说，应该还是中部加载增益高。

这是错的，实部可以匹配，虚部仍然需要一个电感来抵消。变压器解决不了这个问题。

child@BY1QH:"三种方式天线的增益和仰角基本一样。反而是中部加感增益最小，不加感最大，有违传说。"
因为天线不加感的话，就要在外面做匹配，外面损耗就大了，而且还要考虑地网上的损耗。天 .. (2022-02-15 17:47) 

没有地网，直接接地。没搞明白你讲的中部加载增益高的道理。

图片:2446_fcaf16449403187a4acd3e41beffd.jpg

将振子缩短至2.5米，工作在7.1兆。第一个图为2米高处加感，第二张是底部加感。为排除目标阻抗因素（实际对增益没有影响），将目标阻抗设置成天线阻抗，即使驻波比基本为一。得出天线不包括外部匹配网络的参数；
1、因为振子相当的短，使得两种天线的增益差被进一步拉大。明显中部加感增益小于底部加感达到1.5DB。与上一次的0.7个1/4波长振子得出的结论相同。
2、发生仰角基本不随着加感方式改变。
3、阻抗中部加感较底部加感大，与0.7倍（2.5米振子只有0.25倍）振子基本相当。
颠覆了中部加感比底部加感增益高的传说。底部加感阻抗较中部加感低，使得匹配困难。特别是短到1/8波长的天线阻抗只有几个欧姆，而这时中部加感与3/4倍的振子基本阻抗相同，也许这才是在较短的天线采用中部加感的真正原因。
结论
1、比较长的缩短天线（0.5倍以上）中部加感机械结构较难处理（短波低波段天线），底部加感阻抗下降不多。此时采用底部加感较方便。且增益较中部加感高。
2、缩短较多的（比如1/8倍甚至更多）的天线，中（顶）部加感机械结构处理容易。这样的天线阻抗变得只有几个欧姆，为匹配带来很大的困难。虽然底部加感增益高于中部加感，因其阻抗过低可能被高的匹配损耗抵消。采用中部加感应是明智的做法。
之所以中部加感增益小于底部加感的原因，可能是因为中部加感需要的电感量比底部加感大的缘故。一定的频率时Q=L（电感值）/R（损耗电阻）而加感线圈的Q值取值不变是（取200），电感造成的损耗随电感增大而增大的缘故。将上面中部加感的电感Q值增大到300时，增益和底部加感的天线增益相当了。但阻抗下降到22欧姆。中部加感阻抗高的好处被部分抵消。看来鱼与熊掌不可兼得。
业余无线电中不乏以讹传讹的说法，太多是未经证实，至少有些是不全面的部分条件下才成立。

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继续，同样2.5米振子。序号1、底部加感；2、顶部4根电容加载；3、T形；4、倒L。结果：
1、四种天线阻抗基本相同
2、增益加感最小，到L最大，且变化较大。
3、除倒L外，发射仰角基本不变。倒L虽然仰角增加较大但10度时增益比另三种大2DB。
4、尽管倒L水平部分有8.25米，大大大于垂直部分的2.5米，还是垂直极化。增益最大方向与水平导线方向相反，同时水平导线两个方向也是底辐射角方向。
加载电容导线多，展开尺寸小（4根是4.5米，T形6.5，倒L8.5）增益也小。倒L比另两种增益大许多的原因是加载电容参与了电波的发射，4根和T形因为加载导线两边对称，导致电波互相抵消而不参与发射，因此增益也叫低。
将4根辐射叶改成3根打破平衡，增益有一定的增加（0.5db）。
结论
同样长度振子的天线，电容加载比电感加载增益高，电容加载辐射叶少比多好，电容加载辐射叶单数并且长短不一不平衡效果更好。
同理，T形天线应该使振子不在水平导线的中点连接具有更高的增益

ba4dl:没有地网，直接接地。没搞明白你讲的中部加载增益高的道理。 (2022-02-15 20:48) 

仿真的时候，底部直接接理想大地了，而实际的天线用地网，等效有一个几欧姆的接地电阻。所以天线阻抗的实部越低，这个接地电阻的影响就越大。

bi1epu:关于阻抗和匹配的问题一直有些疑问。借楼想请教下几个相关问题。
一个半波端馈振子，假设本身阻值3000，容感抗值为0.
1. 那么下在L网络，或者一个更简单的升压电器，是否只会改变阻值，不 .. (2022-02-15 08:39) 

我这么理解的，

1. 那么下在L网络，或者一个更简单的升压电器，是否只会改变阻值，不改变抗值？
用理想变压器的话，电阻和电抗是同步改变的，比如3000+j*1200，过一个阻抗比60:1的理想变压器，得到的阻抗是50+j*20。但是实际的变压器有漏感、分布电容，传输线变压器也要考虑绕制的传输线的阻抗问题，问题会变得复杂。L网络，有串并联构成，串联电抗元件，不改变电阻，改变电抗。并联电抗元件，不改变电阻的倒数电导，改变电抗的倒数电纳，但是如果从阻抗上看，既改变了电阻也改变了电抗。

2. 这个振子使用L网络匹配和使用长线天调去拉，拉阻抗的区别在哪里？我理解L匹配不会改变振子电长度，而长线天调会通过加容或者加感改变振子长度至1/4携振这种本身阻值较低的长度，然后再加容加感改变抗值，不知道这个理解是否正确。也就是说L匹配和天调匹配后，很可能因为电长度不同而辐射方向也是不同的。
这个理解不对，L匹配就是天调。辐射方向不因匹配的方式改变而改变。

3. 天调一般的调谐阻值范围在5-1500欧之间，那么本身对半波，5/8波这种谐振又大阻抗（3000欧）的振子是不是本身就难匹配？
难匹配。

4. 机边天调（50欧平衡输出口）和长线天调（单振子馈电口）在匹配网络上有本质区别吗？比较mat系列，30和40的匹配参数都是5-1500欧.长线天调很多厂家的建议值是12.5米，这个长度避开了携振点，也避开了高阻抗点，是否调谐步骤上首先就是加容加感到1/4波长奇数倍电长度达到降阻值的目的？那么对于80米来说是短振子（0.15波长），对于40米波是0.3波长，在20米是0.6的波长，跨过了半波，属于偏长的振子。
没本质区别。不同厂家电路结构会有些差别，适应的阻抗匹配范围不同。没必要用这种调谐步骤。

5. 天调（自动天调）本身会通过升，降压电感去匹配一些阻值比较极端的振子吗？例如半波，或者楼主的1/8波天线？

一般里面就是L型匹配，大部分都没有变压器的结构。我理解你说的升，降压电感是变压器吧？

child@BY1QH:仿真的时候，底部直接接理想大地了，而实际的天线用地网，等效有一个几欧姆的接地电阻。所以天线阻抗的实部越低，这个接地电阻的影响就越大。 (2022-02-16 09:03) 

用14楼2。5米振子模型加地网高度3米对比，中部加感增益-9.5db小于底部加感-7.5db达2个db。比直接接地低的更多（1.5db）。老师的理论不成立。

child@BY1QH:我这么理解的，
1. 那么下在L网络，或者一个更简单的升压电器，是否只会改变阻值，不改变抗值？
用理想变压器的话，电阻和电抗是同步改变的，比如3000+j*1200，过一个阻抗比60:1的理想变压器 .. (2022-02-16 09:17) 

感谢回复。

第5点是想说变压器。自动天调通常不集成，是出于成本/体积/性能的考虑吗？